核电池为什么普及不了，一枚核电池能用50年，为什么祝融号火星车不用核电池？

祝融号是小型漫游车，载荷带不动核电池有一个常识上的误区，认为航天器的核电池是跟充电宝差不多储存电量，连跟线就可以使用核电池为什么普及不了。其实不然，航天器的核电池实际上是台小型热能发电机，放射性材料衰变放热，然后驱动热能发电机工作产生电力。

上图是美国好奇号火星车使用的MMRTG（多任务放射性同位素热能发电机），他由八个放射性模块（每个模块含4.8公斤二氧化钚238）和一台斯特林热动发电机组成，可以提供125瓦的电力，满足好奇号火星车14年的工作使用（14年后热量衰减发电量降低）。

好奇号火星车

这样一台MMRTG热电机总重量约为65公斤，其中发电机重45公斤，还要包裹在约30多公斤重的石墨外壳仿制放射性射线对科研仪器的干扰，加上电压调控设备全套系统总重量为99公斤。好奇号火星作为目前最大的火星车，总重量达到900公斤，花费99公斤用来安装这种MMRTG供电没什么问题。并且好奇号火星车重量大，携带设备多，传统太阳能电池板供电已经远无法满足需求，必须要用核电池才能满足长时间工作需要。

祝融号火星车

但是我国的祝融号火星车总重量只有240公斤，花费将近100公斤重量用在核热电池上的话，哪里有其他载荷做其他事情？加上车体结构和信号收发装置恐怕就要超载了吧。同样道理，尽管美国的MMRTG核热电池在1977年就开始投入航天领域使用，但1997年的第一代火星车“火星探路者号”（10.8公斤）和2004年的第二代火星车“勇气号”（重185公斤）都没有配备MMRTG核热电池。作为我国首个火星探测器天问一号以及首个火星着陆巡视器祝融号火星车，其技术水平已经超越美国第二代火星车机遇号，这已经非常了不起的成就了，想直接一步到位机遇号的水平显然是不可能的事情。

美国的三代火星车，从小到大分别是火星探路者号、勇气号和好奇号，美国人花了近30年经历多次失败才走到这一步，放眼国际祝融号已经是非常巨大的跨越了，想要一口吃成胖子也不是这种吃法。

核电池因为长寿命、结构紧凑、稳定性好、兼具保温、不依赖阳光等优点，更适合于长时间、连续、长机动距离的地面探测任务或深空探索任务，同时也是深空探索的趋势。

中国嫦娥任务采用过，这次火星车没用是因为......

其实，中国在嫦娥4号探月任务中，就首次使用了同位素温差电池，这也是我国首个在航天器上成功应用的同位素电源，也就是你所说的核电池。（当然嫦娥3号也使用了同位素热源，但主要是用来抵抗月亮-180℃的低温）。

核电池也分好多种我们知道，核反应主要有3种，核聚变、核裂变、核衰变，嫦娥4号与美国的“好奇号”所使用的同位素温差电池利用的就是放射性锕系材料（钚238）的核衰变能量。

那有人就说了：既然有核衰变电池，那是不是有核裂变电池、核聚变电池？核裂变是有的，比如很厉害的KiloPower。这也是未来建立月球基地、火星基地在能源方面的明星方案，主要提供千瓦级以上的功率，这个以后再单独讲吧，核聚变电池，闹呢！核聚变都还没搞成呢！

什么是同位素温差电池？就核衰变能量的利用方式的不同，核衰变电池又可分为热电式、辐射伏特效应式、压电式、闪烁中间体式。具体来讲，这些分类就是对核衰变产生的子核动能（热量）、阿尔法粒子、贝塔粒子以及伽马光子的利用来分类的。

同位素温差电池利用的就是核衰变产生的子核动能（热量），利用温差电材料的热电效应将热变为电，这是最近40年主流的核电池技术，又被称为放射性同位素热电电池（radioisotope thermoelectric generator，RTG），是静态的发电装置，具有结构紧凑、可靠性高、生存力强、质量比能量高、寿命长等特点。

利用阿尔法衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用钚-238（二氧化钚-238），（钚-238是一种人工核素，其化学性质有剧毒，其半衰期为87.7年，很适合用于深空探索，理论上，每千克钚238自然衰变可产生568瓦的热量，如果其热量全部转化为电能，还是非常可观的，但受制于材料的纯度、热电转换的技术等因素，实际效率通常不超过6%。第一个钚源于1959年在坟堆（Mound）实验室被制备出来，这个实验室位于美国俄亥俄州迈阿密斯堡，是美国原子能委员会(后来成为能源部)在冷战期间进行核武器研究的机构。

利用贝塔（β）衰变材料作为热源的同位素温差电池通常使用镍63、锶90、钇90等核素，它们主要发射贝塔粒子，其发电量相对较小，常用于微机电系统的电源。

原因之一：功率太小、效率太低，无法满足用电需求我们先来看看嫦娥4号身上的同位素温差电池到底是个什么水平？

根据相关资料，嫦娥4号使用的这块电池重7千克，功率3.2~3.5W，这是个什么概念呢？这就和你夏天所用的手持小电扇功率差不多。如此小的电功率无法支撑起其科学载荷的用电需求（主要用这点电测了一下月夜的最低温）。作为对比，好奇号的核电池重45千克，功率为110W。

根据前面的钚238的理论产热数据：

嫦娥4号的这块电池，其热电转换率仅为万分之8.8。

好奇号的核电池，其热电转换率为千分之4.3。也就是说其效率提高了近50倍。

当然这个数据只是一个参考值，因为电池的重量不代表电池电芯中钚238的重量，所以实际的能量转换率肯定比这个要大，但这一数据也反映了综合的工艺技术，差距还是很大的，因为电池核心的材料都是钚238，差距的关键就是温差发电模块的差距了。

原因之二：先期实验目的已经达到短时间内我国的同位素温差电池还处于研制试应用阶段，其功率还达不到实际应用的水平。

月球上的昼夜温差能达到300度，最低温度约零下180度，火星昼夜温差在120度，最低温度通常在零下85度，因为我国研制的同位素温差电池已在月球上进行了验证，而月球上昼夜温差相比于火星更加严苛，所以再大老远的把电池运到火星上测试就显得没那么必要了。

原因之三：任务目标需要的用电和机动性不同虽然太阳能电池的功率质量比以及使用寿命现阶段与同位素温差电池差距不大，但其巨大的占用面积是其最大的短板，这在一定程度上影响了科学载荷的配置和使用的灵活性以及整车的机动性。

任务的设计机动性和机动距离一种程度上决定了供电方式：

“好奇”号于2012年8月5号登陆，于2016年9月24号结束扩展任务，设计任务时长超过4年，在火星上执行任务的距离为13.93公里，虽然好奇号的整车质量达到了899千克，属于重型科研平台，但其平均时速达到了9米/每火星天，是跑得最远的机遇号（约43公里）时速的3倍，机动性显然更强。

而在2018年5月发射的洞察号，因为其是作为一个固定的着陆器研究火星核心、地幔和地壳等内部要素的演化，不需要进行机动，说白了就是落地就安家的那种，所以它并没有配备同时期使用率很高的同位素温差电池。

而天问一号火星车作为首次降落火星执行地面探测任务的设备，执行任务的时长较短，计划于2021年4月23日降落火星，并进行为期3个月的探索，从保守的角度讲，虽然并没有任务设计机动距离的相关数据，但结合嫦娥系列任务的机动距离数据（玉兔二号行驶了463.26米）和火星车的实车结构来看，显然它也并不需要做很长距离的机动。

任务的用电需求也一定程度上与电池相互制约：

好奇号全车重量达到899公斤，与NASA此前登陆火星的机遇号和勇气号相比明显个头更大，携带了更多更为先进的科学载荷（共10套），包括了多种使用激光进行工作的大功率耗电设备，其核电池一个火星天可以连续充电提供2.8度电。是使用太阳能电池板供电的机遇号和勇气号的大约3倍。直到今天仍然在火星上工作，实际供电超过了8年。根据NASA的数据，好奇号火星车在执行任务的第5年，仍然未见明显的能量衰减。

这是一个相互制约的关系，当然还是以科研任务为主线，天问1号火星车全车重240公斤，携带6种科学载荷，且多为各种相机和被动分析设备，能耗不高，所以可以采用太阳能电池板供电。

期待中国核电池的发展就像本文一开始所说的那样， 核电池的优点显而易见，它稳定紧凑，不受阳光的影响，可以连续供电，适合于深空探索，中国的核电池能源这块也是与中国航天事业的发展同步的，现在我们有了行星探测计划，有计划就有需求，才会推动发展，相信随着中国深空探索任务的不断增多，中国在核电池领域将会快速前进。